CN116198221A - 一种片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于喷墨打印技术领域，并具体公开了一种片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置及方法。该喷印装置包括阵列化喷印头、片状等离子体喷头。阵列化喷印头由多个供墨喷嘴组成，供墨喷嘴上端与供墨单元连接，供墨喷嘴通过开关控制接地；片状等离子体喷头产生片状等离子体射流作用于阵列化喷印头正下方的待打印的绝缘基板；等离子体射流在绝缘基板表面形成正电势，使得待打印的绝缘材料基板与供墨喷嘴间形成梯度电场，引导供墨喷嘴发生泰勒锥喷射，使高分辨率墨液沉积在绝缘材料基板上。本发明不仅克服了传统阵列化电流体喷印电极串扰的问题，实现阵列电喷印头独立可控，而且克服了传统电流体喷印在面对绝缘基板时打印精度较低的缺陷。

Description

一种片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置及方法

技术领域

本发明属于喷墨打印技术领域，更具体地，涉及一种片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置及方法。

背景技术

印刷电子是基于印刷/喷印原理的新型电子技术，具有低成本、绿色环保、可大面积生产、兼容柔性基底等优点，在显示、能源、医疗、传感、信息、国防等领域具有广泛的应用前景，如新型显示、柔性传感器、新型存储/成像/波段器件、薄膜太阳能电池等。高性能的印刷电子器件需要在任意材质的基底上通过印刷的方式制造出高分辨率和高集成度的薄膜晶体管阵列、大面积传感器以及分布式互联导线，这对印刷技术的制造分辨率和效率提出了较高要求。

电流体喷印技术是一种新兴的喷墨打印技术，不同于传统喷墨打印“推”出液滴，而是采用电场驱动以“拉”的方式将喷嘴中的墨液沉积到基板获得图案，实现了高精度高分辨率的喷墨打印，又能够兼容高黏度墨液，在印刷电子制造方面极具优势。阵列化电流体喷印采用多个的电流体喷头，大大提高了喷墨打印效率，对于大面积结构件表面高分辨率高效率喷印有着重要的意义。

但是，目前阵列化电流体喷印技术在面对绝缘材料基板时仍存在众多缺陷。例如：(1)电流体喷印在面对较厚的或者曲面的绝缘材料基板时，难以在基板上接电极，基板与喷嘴之间无法形成稳定电场导致墨液喷射不稳定，影响打印质量；(2)带有电荷的墨液沉积在绝缘材料基板上时，绝缘材料基板电荷积累导致排斥力会影响后续打印，降低打印精度；(3)传统阵列化电喷印各个喷嘴之间的电场会发生相互串扰，导致阵列化电喷印独立可控性差，影响打印精度和可控性。对于许多领域如太阳能面板、超材料、曲面电子、飞行器蒙皮等，基板通常是非平面的大面积绝缘材质。因此，亟待提出一种新的阵列化电流体喷印方法，以实现大面积绝缘材料基板表面高精度、高分辨率、高效率的功能电子制造。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置及方法。其中阵列化电喷印头通过设置阵列化喷印头和片状等离子体喷头，能够利用等离子体射流在绝缘材料基板局域沉积电荷，引导功能墨液准确沉积在绝缘材料基板的需要打印的位置，并且阵列化电喷印喷头提高了电流体动力喷印的打印效率，从而能够实现在太阳能面板、超材料表面等绝缘材料基板表面进行高精度、高分辨率、高效率的电流体动力喷墨打印。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置，包括：阵列化喷印头和片状等离子体喷头；

所述阵列化喷印头包括多个供墨喷嘴，每个供墨喷嘴上端与供墨单元连接，且内部设置有接地电极，所述接地电极通过开关控制接地；

所述片状等离子体喷头包括等离子体喷头主体和电极片，所述等离子体喷头主体上端设置有进气口以通入工作气体，中间设有狭长的通孔作为气流通路，内壁面放置一圈所述电极片；所述电极片与高压电源连接，通过放电使得所述工作气体电离形成等离子体，等离子体在气流的吹动下沿着所述片状等离子体喷头内部的通路向外喷出形成片状等离子体射流；所述片状等离子体射流作用于所述阵列化喷印头正下方的待打印的绝缘材料基板使其带上正电荷，所述待打印的绝缘材料基板与接地的所述供墨喷嘴间形成电场，在电场的作用下墨液内部的负电荷被诱导而聚集在气液交界面上，当电荷量突破瑞利极限时，墨液形成泰勒锥产生射流，墨液沉积到所述待打印的绝缘材料基板，以此完成喷墨打印。

进一步地，所述待打印的绝缘材料基板的材料可以是PI、PET、PDMS、陶瓷、玻璃、FR4、或PCB等各种绝缘基板。

进一步地，所述工作气体为氩气、氦气、氮气或空气。

进一步地，所述高压电源为脉冲电源或射频电源。

按照本发明的另一方面，提出了一种喷印方法，所述喷印方法是采用上述片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置进行喷印的。

进一步地，所述喷印方法包括如下步骤：

S1、将阵列化喷印头竖直放置在待打印的绝缘材料基板上方，将需要使用的供墨喷嘴的接地电极接地，将片状等离子体喷头内部的电极片与高压电源连接；

S2、墨液通过供墨单元输送至供墨喷嘴出口处，将工作气体通过进气口通入沿着气体导管到达所述等离子体喷头主体内部，使得所述工作气体在所述电极片的放电作用下形成片状等离子体射流；

S3、产生的片状等离子体射流从所述片状等离子体喷头喷出，作用在所述供墨喷嘴正下方的所述待打印的绝缘材料基板表面使其带上正电荷，所述待打印的绝缘材料基板与接地的所述供墨喷嘴间形成电场，在所述电场的作用下墨液内部的负电荷被诱导而聚集在气液交界面上，当电荷量突破瑞利极限时，墨液形成泰勒锥产生射流，墨液沉积到所述待打印的绝缘材料基板，以此完成喷墨打印。

进一步地，还包括：

S4、控制不需要使用的供墨喷嘴的接地电极的开关断开，使该供墨喷嘴停止喷射打印，以此实现阵列化喷印头内各个供墨喷嘴的独立控制及避免相邻供墨喷嘴独立控制时相互串扰。

进一步地，通过控制所述高压电源的电压强度调节所述片状等离子体射流的放电强度，使得所述片状等离子体射流在所述待打印的绝缘材料基板上仅留下电荷作为气态电极，而不对所述待打印的绝缘材料基板进行刻蚀、改性。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明将等离子体射流与喷墨打印结合，利用等离子体自身所携带的正电荷，在绝缘材料基板表面沉积电荷并与供墨喷嘴之间形成电场，从而引导供墨喷嘴发生电流体动力喷射打印出墨液并准确地沉积在基板的特定位置，不仅能够克服厚绝缘材料基板无法接电极导致无法在供墨喷嘴与基板之间形成稳定电场引导电流体喷印的问题，而且能够克服喷墨打印在曲面基板、绝缘材料基板上打印分辨率不高的问题，有效提高了喷墨打印的精度、分辨率和便捷度，能够很好地兼容连续直写、按需喷印和近场纺丝等典型的打印模式，实现高精度、高分辨率的喷墨打印。

2.本发明供墨喷嘴采取阵列化，可用于绝缘材料基底，对于提高电流体动力喷印的打印效率，实现印刷电子器件的高分辨率高效制备，具有十分重要的意义。控制所述供墨喷嘴的接地端开关断开则供墨喷嘴停止打印，可以实现阵列化喷印头内各个供墨喷嘴的独立控制。

3.本发明采用等离子体作为驱动方式，阵列化喷印头都是用接地端作为电极，克服了传统阵列化电喷印中电流体供墨喷嘴组都接高压电极而在独立控制或联动控制时相互串扰影响打印的问题，提高打印的一致性和可控性。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例构建的片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置的结构示意图；

图2是按照本发明优选实施例构建的片状等离子体喷头的剖面结构示意图；

图3是按照本发明优选实施例构建的片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置的打印结果图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-开关；2-供墨喷嘴；3-墨液；4-墨液沉积；5-绝缘材料基板；6-接地端；7-等离子体喷头主体；8-电极片；9-片状等离子体射流；10-工作气体；11-气体导管；12-高压电源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

请参阅图1及图2，本发明提供的片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置，包括阵列化喷印头和片状等离子体喷头，其中：

所述阵列化喷印头由多个供墨喷嘴2组成，供墨喷嘴2相隔一定距离，以满足阵列打印和拆装需求。工作时，所述供墨喷嘴2的上端与供墨单元连接，墨液3由所述供墨单元流出，所述墨液3流经所述供墨喷嘴2内孔到达所述供墨喷嘴2下端出口处，每一个所述供墨喷嘴2内置接地电极，开关1可以统一控制所述供墨喷嘴2与接地端6连接或断开。

待打印的基板由绝缘材料基板5构成，所述绝缘材料基板5的材料可以是PI、PET、PDMS、陶瓷、玻璃、FR4、PCB等各种绝缘材料，既可以是平面基板，也可以是曲面基板，并且本装置对于所述绝缘材料基板5的厚度没有限制。

所述片状等离子体喷头包括等离子体喷头主体7和电极片8，所述等离子体喷头主体7的中间设有狭长的通孔作为气流通路，所述等离子体喷头主体7内壁固定一圈所述电极片8，所述电极片8通过导线与高压电源12连接，所述高压电源12可以是脉冲电源或射频电源；同时所述等离子体喷头主体7上端设置有进气口，所述进气口与气体导管11过渡配合，以满足拆装需求并保证良好的气密性；通过所述气体导管11向所述等离子体喷头主体7通入工作气体10，所述工作气体10可以是氩气、氦气、氮气或空气。

工作时，所述高压电源12启动，电压通过导线传递至所述电极片8，所述电极片8高压放电使得所述工作气体10电离形成等离子体，等离子体在气流的吹动下沿着所述等离子体喷头主体7内部的通路向外喷出形成片状等离子体射流9，所述片状等离子体射流9作用于所述阵列化喷印头正下方的所述绝缘材料基板5使其带上正电荷，所述开关1控制需要使用的所述供墨喷嘴2与接地端6连通，使得所述供墨喷嘴5接地，此时所述绝缘材料基板5与所述供墨喷嘴2间形成电场，在所述电场的作用下所述墨液3内部的负电荷被诱导而聚集在气液交界面上，当电荷量突破瑞利极限时墨液形成泰勒锥产生射流，即所述墨液3在所述片状等离子体射流9的诱导下发生电流体动力喷射，所述墨液3沉积到所述绝缘材料基板5形成墨液沉积4，至此喷墨打印完成。

进一步地，所述开关1控制所述供墨喷嘴2与接地端6的连接断开，所述供墨喷嘴2中的所述墨液3停止喷射打印，以此实现了阵列化喷印头内各个供墨喷嘴2的独立控制。

进一步地，所述供墨喷嘴2都是用所述接地端6作为负电极，以等离子体作为气态正电极，因此消除了传统电流体喷印中阵列化喷印头在都接高压电极而在独立控制或联动控制时相互串扰影响打印的问题。

进一步，通过控制所述高压电源12的电压强度调节所述片状等离子体射流9的放电强度，使得所述片状等离子体射流9在所述绝缘材料基板5上只是留下电荷作为气态电极，而不对所述绝缘材料基板5进行刻蚀、改性等作用，避免在引导所述墨液3的同时对所述绝缘材料基板5表面微结构产生不必要的破坏。

按照本发明的另一方面，如图1及图2所示，提出了一种喷印方法，该方法包括如下步骤：

S1、将阵列化喷印头竖直放置在绝缘材料基板5上方，将需要使用的供墨喷嘴2通过开关1控制使其与接地端6连接，将等离子体喷头主体7内部的电极片8与高压电源12连接并倾斜置于所述阵列化喷印头的旁侧，所述高压电源12具体可以是脉冲电源或射频电源；

S2、墨液3通过供墨单元输送至供墨喷嘴2内直至所述供墨喷嘴2的出口处，将工作气体10通过进气孔通入沿着气体导管11到达所述等离子体喷头主体7内部，所述工作气体10具体可以是氩气、氦气、氮气或空气，开启所述高压电源12，使得所述工作气体10在所述电极片8的放电作用下形成等离子体，等离子体在气流的吹动下沿着所述等离子体喷头主体7内部的通路向外喷出形成片状等离子体射流9；

S3、所述片状等离子体射流9从所述等离子体喷头主体7喷出，作用在所述供墨喷嘴2正下方的所述绝缘材料基板5表面，使得所述绝缘材料基板5区域化带正电荷，所述接地端6接通的所述供墨喷嘴2与所述绝缘材料基板5之间形成电场，在所述电场的作用下所述墨液3内部的负电荷被诱导而聚集在气液交界面上，当电荷量突破瑞利极限时所述墨液3形成泰勒锥产生射流，即所述墨液3在所述片状等离子体射流9的诱导下发生电流体动力喷射，所述墨液3沉积到所述绝缘材料基板5形成墨液沉积4，以此完成喷墨打印。

进一步地，通过所述开关1控制所述供墨喷嘴与所述接地端6的连接断开，所述墨液3停止喷出，喷墨打印停止，以此实现了阵列供墨喷嘴的独立控制及避免相邻供墨喷嘴独立控制时相互串扰。

图3是按照本发明优选实施例构建的装置在PDMS材料上的打印结果图。

本发明将等离子体射流与喷墨打印结合，利用等离子体引导供墨喷嘴发生电流体动力喷射打印出墨液并准确地沉积在基板的特定位置，有效提高了喷墨打印的精度、分辨率和便捷度。供墨喷嘴采取阵列化，可用于绝缘衬底，从而能够实现在太阳能面板、超材料表面等绝缘材料基板表面进行高精度、高分辨率、高效率的电流体动力喷墨打印。并且本发明采用等离子体作为驱动方式，阵列化喷印头都是用接地端作为电极，克服了传统电喷印中阵列化喷印头都接高压电极而在独立控制或联动同时控制时相互串扰影响打印的问题，提高打印的一致性和可控性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，包括：阵列化喷印头和片状等离子体喷头；

所述阵列化喷印头包括多个供墨喷嘴，每个供墨喷嘴上端与供墨单元连接，且内部设置有接地电极，所述接地电极通过开关控制接地；

所述片状等离子体喷头包括等离子体喷头主体和电极片，所述等离子体喷头主体上端设置有进气口以通入工作气体，中间设有狭长的通孔作为气流通路，内壁面放置一圈所述电极片；所述电极片与高压电源连接，通过放电使得所述工作气体电离形成等离子体，等离子体在气流的吹动下沿着所述片状等离子体喷头内部的通路向外喷出形成片状等离子体射流；所述片状等离子体射流作用于所述阵列化喷印头正下方的待打印的绝缘材料基板使其带上正电荷，所述待打印的绝缘材料基板与接地的所述供墨喷嘴间形成电场，在电场的作用下墨液内部的负电荷被诱导而聚集在气液交界面上，当电荷量突破瑞利极限时，墨液形成泰勒锥产生射流，墨液沉积到所述待打印的绝缘材料基板，以此完成喷墨打印。

2.根据权利要求1所述的片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述工作气体为氩气、氦气、氮气或空气。

3.根据权利要求1所述的片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述高压电源为脉冲电源或射频电源。

4.一种喷印方法，其特征在于，所述喷印方法是采用权利要求1-3任一项所述的片状等离子体驱动的阵列化电流体喷印装置进行喷印的。

5.根据权利要求4所述的喷印方法，其特征在于，所述喷印方法包括如下步骤：

S1、将阵列化喷印头竖直放置在待打印的绝缘材料基板上方，将需要使用的供墨喷嘴的接地电极接地，将片状等离子体喷头内部的电极片与高压电源连接；

S2、墨液通过供墨单元输送至供墨喷嘴出口处，将工作气体通过进气口通入沿着气体导管到达所述等离子体喷头主体内部，使得所述工作气体在所述电极片的放电作用下形成片状等离子体射流；

S3、产生的片状等离子体射流从所述片状等离子体喷头喷出，作用在所述供墨喷嘴正下方的所述待打印的绝缘材料基板表面使其带上正电荷，所述待打印的绝缘材料基板与接地的所述供墨喷嘴间形成电场，在所述电场的作用下墨液内部的负电荷被诱导而聚集在气液交界面上，当电荷量突破瑞利极限时，墨液形成泰勒锥产生射流，墨液沉积到所述待打印的绝缘材料基板，以此完成喷墨打印。

6.根据权利要求5所述的喷印方法，其特征在于，还包括：

S4、控制不需要使用的供墨喷嘴的接地电极的开关断开，使该供墨喷嘴停止喷射打印，以此实现阵列化喷印头内各个供墨喷嘴的独立控制及避免相邻供墨喷嘴独立控制时相互串扰。

7.根据权利要求5所述的喷印方法，其特征在于，通过控制所述高压电源的电压强度调节所述片状等离子体射流的放电强度，使得所述片状等离子体射流在所述待打印的绝缘材料基板上仅留下电荷作为气态电极，而不对所述待打印的绝缘材料基板进行刻蚀、改性。

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